分布式新能源发电中储能系统能量管理分析

侯鹏

摘  要：随着我国经济的发展，科学技术水平的提升，太阳能、风能等新型能源应运而生，而且发展十分迅猛，对于分布式發电系统来说，要求系统具备孤单运行能力，为本地负载提供持续不断的电能。此外，为了降低太阳能、风能对外部网络产生的冲击，其中储能系统是不可或缺的重要组成。本文针对分布式新能源发电中储能系统能量管理进行了分析。

关键词：分布式新能源发电;储能系统;能量管理

一、交直流母线混合型分布式发电储能系统概述

本文所提及的分布式新能源发电系统采用的是交直流母线混合型分布式发电系统，其通过风能和太阳能这两种新能源进行发电，其系统结构如图1所示。一般情况下，风能和太阳能发电都处于最大功率点的跟踪状态[1]。但是因风能和太阳能发电极易受到天气等因素的影响，从而导致系统的输出功率不稳定。所以为了保证该系统能够在孤岛条件下处于长时间的稳定运行状态，本文采用蓄电池及超级电容作为系统的储能装置，并根据这两种储能装置的自身特点及剩余容量等情况制定不同的控制策略，以实现对能量的有效控制。

二、储能系统工作模式

在本储能系统中，蓄电池和超级电容这两种储能装置的剩余容量是系统进行能量管理的关键依据。根据蓄电池和超级电容的特点，对储能装置的不同状态进行设定。针对蓄电池而言，将蓄电池的剩余容量为30%以下作为低容量状态，30%～90%之间作为正常状态，而90%以上则为高容量状态;而针对超级电容而言，将剩余容量在20%以下作为低容量状态，20%～90%之间作为正常状态，而90%以上作为高容量状态。

基于上述对储能装置不同工作状态的划分，能够将储能系统的工作模式划分为9种，且每种工作模式所对应一种不同的控制策略。在分布式发电储能系统的实际运行过程中，需要依照不同的状态采用不同的控制策略。为了对这些工作模式进行更便捷的区分，可将这些工作模式大体上分为四类，分别是均正常模式、蓄电池异常模式、超级电容异常模式、均异常模式。

三、不同工作模式的能量管理策略

针对分布式新能源发电的储能系统而言，利用恒流控制对系统中的双向DC-DC变流器进行控制操作，从而使储能系统可以依照相应的要求输出功率，并确保蓄电池的输出功率和超级电容的输出功率保持一致。以下对上述四种工作模式下的能量管理策略进行详细的介绍。

3.1均正常模式下的能量管理策略

该模式是分布式新能源发电储能系统最为常见的一种工作模式，在该工作模式中，蓄电池及超级电容这两个储能装置中的剩余容量均处于正常状态。但是因系统所采用的风能发电和太阳能发电都存有间歇性的特性，所以在实际的运行过程中，较容易出现本地载荷突发性增加或减少的情况，而这种情况的出现就会造成系统中的输出功率出现高频波动。与此同时，因蓄电池装置的充放电过程需要较长的时间，无法对这种高频波动进行及时的控制，由此需要利用超级电容对这部分波动的功率进行控制，详细的能量管理策略如图2所示。

此外，在分布式发电储能系统处于并网状态或在孤岛条件下运行的过程中，同样能够采用上述的能量管理策略对储能系统中的功率进行合理的分配，依照实际情况产生出所需的功率。并可以通过对增益K的有效调节，实现对蓄电池和超级电容这两个储能装置输出功率的分配。例如在超级电容的剩余容量较大时，可以提高增益K，以此使超级电容来承担更多的功率输出。

3.2蓄电池异常模式下的能量管理策略

针对蓄电池异常模式而言，其异常情况主要体现为：蓄电池储能装置的剩余容量较低或较高，超级电容装置的剩余容量则处于正常状态。在这种情况下，会降低整体电网系统的运行稳定性和安全性，需在最短的时间内使系统恢复到正常的工作模式。同时，在分布式发电中的储能系统处于并网状态时，其运行状态同蓄电池电容异常模式较为相近，需要利用内外电网交换能量的方式来恢复蓄电池装置的剩余容量。

在这一过程中也会产生相应的功率冲击，但是影响并不显著。此外，储能系统在孤岛条件下运行时，因超级电容装置的能量存储能力有限，无法在短时间内通过能量传递来使蓄电池装置恢复到正常状态。对于这种情况只能通过超级电容来维持能量的传递，直至并网成功后再将蓄电池装置充电到正常的运行状态。

3.3超级电容异常模式下的能量管理策略

针对超级电容异常模式而言，其异常情况主要体现为：蓄电池储能装置的剩余容量正常，但是超级电容储能装置的剩余容量则出现较低或较高的异常情况。在这种情况下，分布式发电储能系统的吸收和释放高频功率的性能会出现降低，甚至会造成系统的相应能力丧失。需在最短的时间内使系统恢复到正常的工作模式。同时，在分布式发电中的储能系统处于并网状态时，可以将外部电网看作为一个无穷大的电网连接，由此超级电容则能通过能量传递将自身超出的能量传递至外部电网，进而使自身恢复到正常状态。此外，储能系统在孤岛条件下运行时，因缺少外部电网的辅助支持，所以必须保证储能系统时刻处于功率平衡的状态，由此需要利用超级电容来提高系统的响应能力。并且为了提高分布式新能源发电输出功率的稳定性，还应加强蓄电池和超级电容这两个储能装置间的能量传递，以此实现对能量有效管理。

3.4均异常模式下的能量管理策略

针对均异常模式的能量管理策略而言，需要对上述两种异常模式进行综合考虑，通过直流母线的互相均衡，来使异常模式转变为上述的某个模式，由此再采取相应的管理策略对其进行控制。对于均异常模式下的能量管理策略而言，可以分为两种：一是超级电容和蓄电池剩余容量均过高的情况，这时要在孤岛运行时，对其输出功率进行控制;而针对超级电容和蓄电池剩余容量均过低的情况而言，要切除不必要的负载来维持敏感负荷的正常，以保证发电系统的稳定。

四、结语

综上所述，本文将由蓄电池和超级电容共同组成的混合储能系统依照剩余容量的不同划分为多种工作模式，并结合蓄电池和超级电容这两种储能装置的特点，制定出针对性的能量管理策略，以此实现分布式新能源发电系统中的功率平衡，尽可能减少系统内部功率波动对外部电网造成的冲击影响，保证分布式发电系统在孤岛条件下的平稳运行，有效实现了混合型储能系统的能量管理，大大提高了储能系统能量管理的有效性。

参考文献：

[1]吴健超.含分布式能源的家庭能量管理系统优化调度研究[D].东南大学，2017.

[2]孙博，魏海坤.基于分布式发电的多类型储能系统的设计与应用[J].工业控制计算机，2016，29（4）：140-141.

[3]孙博.多类型储能系统在分布式发电中的应用技术研究[D].南京：东南大学，2016.

[4]李相俊，王上行，惠东.电池储能系统运行控制与应用方法综述及展望[J].电网技术，2017（10）：233-243.